The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences (한국통신학회논문지)

The Korean Institute of Commucations and Information Sciences (한국통신학회)
권호 표지

An Adaptive Signal Transmission/Reception Scheme for Spectral Efficiency Improvement of Multiple Antenna Systems in Cellular Environments

셀룰러 환경에서 다중 안테나 시스템의 전송 효율 증대를 위한 적응적 송수신 방안

  • 진귀언 (서강대학교 전자공학과 디지털전송연구실) ;
  • 김성민 (서강대학교 전자공학과 디지털전송연구실) ;
  • 장재원 (서강대학교 전자공학과 디지털전송연구실) ;
  • 성원진 (서강대학교 전자공학과 디지털전송연구실)
  • Published : 2008.06.30
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Abstract

Multiple-input multiple-output (MIMO) techniques can be used for the spectral efficiency enhancement of the cellular systems, which can be categorized into spatial multiplexing (SM) and spatial diversity schemes. MIMO systems suffer a severe performance degradation due to the intercell interference from the adjacent cells as the mobile terminal moves toward the cell boundary. Therefore for the spectral efficiency enhancement, an appropriate transmission scheme for the given channel environment and reception scheme which can mitigate the intercell interference are required. In this paper, we propose an adaptive signal transmission/reception scheme for the spectral efficiency improvement of $M_R{\times}M_T$ MIMO systems, present the decision criteria for the adaptive operation of the proposed scheme, and demonstrate the performance gain. The proposed scheme performs adaptive transmission using spatial multiplexing and spatial diversity, and adaptive reception using maximal ratio combining (MRC) and intercell spatial demultiplexing (ISD) when the spatial diversity transmission is used at the transmitter. Spatial multiplexing/demultiplexing is performed at the high signal-to-interference ratio (SIR) range, and the transmit diversity in conjunction with the adaptive reception uses either conventional MRC or ISD which can mitigate the $M_R-1$ interference signals, based on the mobile location. For the performance evaluation of the proposed adaptive scheme, the probability density function (pdf) of the effective SIR for the transmission/reception methods in consideration are derived for $M_R{\times}M_T$ MIMO systems. Using the results, the average effective SIR and spectral efficiency are presented and compared with simulation results.

셀룰러 환경에서 전송 효율을 향상시키기 위하여 일반적으로 사용되는 다중 안테나 (multiple-input multiple-output: MIMO) 시스템은 공간 다중화 (spatial multiplexing: SM) 기법과 공간 다이버시티 (spatial diversity) 기법으로 구분된다. 이러한 MIMO 시스템은 셀룰러 환경에서 단말기가 셀 경계로 이동할수록 인접 셀로부터 오는 간섭 신호의 영향을 받게 되어 심각한 성능 열화를 겪게 된다. 따라서 MIMO 시스템의 전송 효율을 증대시키기 위하여 채널 환경에 적합한 송신 기법과 함께 셀 경계에서의 인접 셀 간섭을 효과적으로 제거할 수 있는 수신 기법의 활용은 매우 중요하다. 본 논문에서는 $M_T$개의 송신 안테나와 $M_R$개의 수신 안테나를 갖는 하향 링크 MIMO 시스템의 전송 효율 증대를 위하여 채널 환경에 따라 공간 다중화 및 공간 다이버시티를 이용한 적응적 송신 방법을 사용하곡 공간 다이버시티가 적용될 경우 MRC (maximal ratio combining) 기법과 ISD (intercell spatial demultiplexing) 기법을 적응적으로 사용하기 위한 선택 기준과, 적응적인 송수신 방식 적용시의 성능 이득을 산출한다. 단말기가 기지국 근처에 위치하여 높은 SIR (signal-to-interference ratio)을 가질 경우에는 공간 다중화를 이용한 송신 기법과 함께 SD (spatial demultiplexing) 수신 기법을 사용하고, 셀 경계와 같이 낮은 SIR을 가질 경우에는 공간 다이버시티를 이용한 송신 기법과 함께 기존의 MRC 수신 방식과 $M_R-1$개의 인접 셀 간섭 신호 성분들을 제거할 수 있는 ISD 수신 방식을 적응적으로 사용함으로써 시스템 전송 효율을 향상시킬 수 있는 방안을 제시한다. 제안한 송수신 방식의 성능을 검증하기 위하여 $M_R{\times}M_T$ MIMO 시스템에서 각각의 송수신 방식에 따른 수신 신호의 유효 신호 대 간섭 비의 확률 밀도 함수를 유도하곡 이를 활용하여 평균 유효 신호 대 간섭 비와 전송 효율을 산출하며, 모의실험 결과와의 비교를 통해 검증한다.

Keywords

References

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